浅谈粉煤灰的特性及其在公路建设中的应用

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【摘 要】文章简要介绍粉煤灰的特性和其在公路路堤、粉煤灰类基层、水泥粉煤灰碎石桩等公路建设领域方面的广泛应用，粉煤灰的利用既解决了环境污染问题，又使工程造价大大降低。
【关键词】粉煤灰；公路路堤；粉煤灰类基层； CFG桩
【作者简介】王峰（1973－），男，山东鱼台人，山东省曲阜公路局副局长，工程师，大学本科学士学位，主要从事公路工程与养护管理。
一、前言
粉煤灰作为一种电厂的燃料废渣，过去是很多企业头疼和难办的一件事，大量的粉煤灰需要占用大面积的土地进行堆放，粉煤灰的粉尘造成周边环境被严重污染，随着各行各业对粉煤灰的开发和利用，特别是近几年全国高速公路的迅猛发展，粉煤灰的利用率越来越高，使粉煤灰“变废为宝”，粉煤灰在各项工程中的利用，不但使工程造价大大降低，而在节约土地、环境保护方面的意义更是非常深远的。
二、粉煤灰材料的特性
（一）、粉煤灰的化学特性
粉煤灰属于CaO、Al2O3-SiO2系统，其化学成分以Al2O3和SiO2为主，次要成分为CaO和Fe2O3以及少量的MgO和SO3等。由于煤粉高温燃烧，其中主要成分铝、硅形成了活性成分，同时由于粉煤灰的比表面积较大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小，这就是其在公路中利用的基础和优势。
（二）、粉煤灰的物理特性
粉煤灰松干密度在445~680kg/m3范围内，比表面积在221~586㎡/kg之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性，同比粘性土其压缩变形要小的多。试验表明：相同密实度（重型K=100%）的土与粉煤灰，土的压缩系数α10N~20N=0.25Mpa-1,而粉煤灰的压缩系数α10N~20N=0.15Mpa-1,土的压缩系数比粉煤灰的压缩系数大45%~55%。粉煤灰的毛细现象十分强烈，其毛细水的上升高度与压实度有着密切关系。
三、粉煤灰在公路工程中的广泛应用
（一）、粉煤灰在公路路堤上的应用
在公路中利用粉煤灰最为广泛的是粉煤灰路堤，尤其是在软土地基路段，能充分利用粉煤灰质量轻的特点，减轻路堤自重、减轻软土地基的附加应力，从而减少总沉降并提高路堤的稳定性。
1、粉煤灰材料的要求
粉煤灰不应含团块、腐殖质及其它杂质。其烧失量不得大于12%，粉煤灰的粒径在0.001～2.0mm之间，小于0.074mm的颗粒含量应大于45%。
2、室内试验
粉煤灰路堤施工前应对所采用的粉煤灰做好各项室内试验。室内试验的项目详见《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》(TJ016—93)中表2.2.4。通过室内试验确定各项技术指标和设计参数，并对粉煤灰路堤进行验算。
3、路堤横断面要求
为提高粘土边坡保护层与粉煤灰边坡的稳定性，应将相接面筑成30×50cm的台阶状，并把台阶做成≥2%的反拱。粘土保护层厚度不小于2.0m。在路槽标高以下设置不小于30cm的二灰封层。
4、排水
为及时排除渗入路基内的渗水，路基底部设置30cm的砂垫层，在砂垫层上全幅铺设一层透水土工布，以防粉煤灰流失。在粘土保护层中设置30×50cm的盲沟，设置水平间距10m，垂直间距0.9m，呈梅花形交叉布置，在盲沟进口处应采用透水土工布包裹，以防粉煤灰流失。
5、稳定验算及沉降计算
通过多条公路粉煤灰路堤的设计和施工，对于非软弱地基上的粉煤灰路堤，当路堤高度≤5.0m，边坡坡率采用1:1.5时，可不作稳定性验算。当路堤高度＞5.0m时，应进行路堤自身的稳定性验算，一般可采用直线或圆弧滑动面进行验算，稳定系数应≥1.25。对于软弱地基上的粉煤灰路堤，应考虑路堤本身和地基共同的滑动破坏，对其进行边坡稳定和路堤的抗滑稳定性验算。验算时粉煤灰的内摩擦角φ和粘结强度C应采用饱水后测定的C、φ值为准，抗滑安全系数≥1.25。由于干粉煤灰没有塑性而是离散状的，其内聚力是由毛细水张力形成，是一种“假内聚力”。建议粉煤灰路堤稳定计算取值参数：粉煤灰容重采用压实后的湿容重15kN/m3、C值取10kPa、φ值取28°。对于软弱地基上的粉煤灰路堤，应进行沉降量计算，计算方法采用总和法计算主固结沉降，地基的总沉降量包括三部分：S=Sd+Sc+Ss，Sd—瞬时沉降，Sc--主固结沉降，Ss—次固结沉降。采用综合修正系数对瞬时沉降和蠕变沉降进行综合考虑和修正，计算最终沉降量，S=mSc，m的取值范围为1.1～1.4。
6、压实要求
路堤的压实对路堤的强度和稳定性影响很大。众所周知：粉煤灰与土的工程特性有显著差别，其渗透性比粘土大的多。通过对粉煤灰击实实验表明，在粉煤灰达到最佳含水量前，击实含水量的变化对于最佳含水量影响较小，粉煤灰具有击实含水量区域较宽（W=30%~50%）的特性，因此允许在较大含水量变化范围内对其进行压实，甚至可以在雨天进行施工。
粉煤灰的各项物理、力学指标采用重型压实标准比轻型压实标准有明显的提高，有利于提高路基强度。通过试验工程效果表明，采用大吨位（20t~50t）的振动压路机进行压实作业，路基的压实效果相当明显，而采用较轻的光轮静碾压路机压实效果较差。所以，高速公路和一级公路应采用重型压实标准。
7、粉煤灰路堤施工应注意的问题
好的设计必须通过好的施工来实现，所以在施工中必须控制好每一个环节。粉煤灰运输应采用自卸汽车，堆放时对颗粒组成不同的粉煤灰应分别堆放，对于运输和堆放应做好防止扬尘和流失污染措施；粉煤灰路堤应采用水平分层填筑法施工，当分成不同作业段填筑时，先填地段应分层留台阶，使每个压实层相互重叠搭接，搭接长度应大于150cm。当采用中型（20t~30t）振动压路机时，每层压实厚度≤20cm；当采用重型（40t~50t）振动压路机时，每层压实厚度≤30cm。粉煤灰路堤压实应遵循先轻后重的原则，压实度应严格按设计要求执行。
(二)、粉煤灰在公路基层施工中广泛应用
粉煤灰类基层的主要类型：石灰粉煤灰稳定细粒土（含砂）、中粒土和粗粒土，具体可分为：石灰粉煤灰稳定土（二灰土）、石灰粉煤灰稳定砂砾（二灰砂砾）、石灰粉煤灰稳定碎石（二灰碎石）、石灰粉煤灰稳定矿渣（二灰矿渣）、石灰粉煤灰（二灰）等。粉煤灰类基层属于半刚性结构，具有强度高、稳定性好、刚度大和一定的抗冻性等特点，尤其是其抗裂缝性能优于水泥稳定碎石，在公路建设中被广泛采用。
1、材料要求
粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量应≥70%，粉煤灰的烧失量应≤12%；粉煤灰的比表面积应≥2500cm2/g（或90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔）。对于湿粉煤灰其含水量应≤35%，含水量过大时，粉煤灰易凝聚成团，造成拌和困难。
2、石灰粉煤灰混合料组成设计
石灰粉煤灰混合料首先应进行组成设计，通过试验选择最适宜的稳定土类，确定石灰与粉煤灰的比例，确定混合料最佳组成配合比，确定混合料最佳含水量。根据石灰粉煤灰混合料抗压强度标准，选定混合料的配合比，并对此配合比混合料试件进行室内试验取得平均抗压强度R。R应满足：R≥Rd/(1-ZaCv)
式中：Rd—设计抗压强度 Cv—试验结果的偏差系数
Za—标准正态分布表中随保证率（或置信度α）而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za=1.645；其他公路应取保证率90%，即Za=1.282。
采用二灰土做基层或底基层时，石灰和粉煤灰的比例可采用1:2~1:4，石灰粉煤灰与细粒土的比例可采用30:70~90:10，石灰粉煤灰与集料的比例可采用20:80~15:85。
石灰粉煤灰与粒料为20:80~15:85时，称为密实式二灰粒料，在混合料中粒料间形成骨架，石灰粉煤灰能有效地起到填充孔隙和胶结的作用，大大减少了整体材料的孔隙率、比表面积和含水量，从而较大幅度地降低了材料的收缩性，减少了干缩裂缝；石灰粉煤灰与粒料为50:50左右时，称为悬浮式二灰粒料，在混合料中粒料间形不成骨架，而是悬浮在石灰粉煤灰混合料中，使其收缩性，容易生产干缩裂缝。通过多条高速公路的实践证明，悬浮式二灰粒料的最大干缩应变约为密实式二灰粒料的3倍以上，在同等条件下悬浮式二灰粒料基层上沥青面层的裂缝比密实式二灰粒料基层上沥青面层的裂缝多很多，悬浮式二灰粒料的抗冲刷性能远不如密实式二灰粒料。因此，在高速公路和一级公路基层中应采用密实式二灰粒料，保证其粒料含量≥80%。
3、提高石灰粉煤灰混合料早期强度的措施
石灰粉煤灰混合料的固有缺点是早期强度低，基层铺筑后不能及时开放交通，在一定程度上影响了石灰粉煤灰混合料的应用。因此，对于如何提高石灰粉煤灰混合料的早期强度是很有必要的。
（１）、掺加化学添加剂
采用碱性激发法激活粉煤灰的活性，加速石灰粉煤灰混合料强度的形成，从而提高石灰粉煤灰混合料的早期强度。
（２）、掺加水泥
水泥水化与硬凝反应迅速，能很快地产生水硬性胶结物，因此掺加水泥对提高石灰粉煤灰混合料的早期强度很有帮助，水泥掺入量的范围一般为0.5%~1.5%，随着水泥剂量的提高，强度增强效果增大。
4、石灰粉煤灰混合料的施工及需要注意的要点
石灰粉煤灰混合料的施工主要分：路拌法施工和中心站集中厂拌法施工。对于高速公路和一级公路应采用集中厂拌法施工。施工需要注意的要点：严格控制混合料的施工配合比及含水量；混合料必须拌和充分、均匀；分层摊铺碾压，混合料应当天拌和、当天摊铺、当天碾压，压实度满足设计要求；保证足够的养生期。
(三)、粉煤灰在CFG桩方面的广泛应用
CFG桩--水泥粉煤灰碎石桩，是由水泥、碎石、石屑和粉煤灰加水拌合而成。CFG桩具有较高的粘结强度，与桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基，能有效地提高地基强度，减少地基的沉降量，作为软弱地基的处理是一种行之有效的方法。
1、CFG桩复合地基的工程特性
CFG桩的长度可从几米到二十多米，既适用于独立基础也适用于条形基础。在公路地基处理中，既可用于构筑物地基的加固处理，又可用于路基地基的加固处理。CFG桩对于软弱地基强度的提高既有挤密作用，又有置换作用，同时CFG桩具有一定的渗透性（其渗透系数一般为10-4~10-3cm/s）对桩周土体起到排水固结的作用。对于饱和软粘土强度的提高主要取决于桩的置换作用。
2、CFG桩的施工
目前CFG桩的施工主要采用振动沉管灌注法成桩。当地表为坚硬粘土层时，可采用长螺旋钻预先引孔，再用振动沉管机成孔制桩。
3、CFG桩的质量控制和监测
质量控制和监测是施工过程中的重要环节，为保证工程质量，每道工序必须严格把关。
（１）、在整个工程施工前，应进行试桩试验，以取得CFG桩的基本参数资料。
（２）、CFG桩应采用隔排隔桩跳打。
（３）、施工结束28天后，应进行桩、土以及复合地基的检测，包括：桩间土的物理力学指标的变化；现场静力触探和标准贯入试验；单桩、桩间土或复合地基静载试验。
四、结束语
如今粉煤灰在公路中的应用已越来越广泛，在工程中取得了良好的社会及经济效益，特别是在降低工程造价、环境保护、节约占地等方面意义深远。虽然粉煤灰的应用取得了可喜成绩，但粉煤灰的研究和开发还远远不够，特别是对粉煤灰早期强度的研究以及石灰粉煤灰混合料收缩变形的研究还应进一步深入。
【参考文献】
[1]公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范 [S]．北京：人民交通出版社，1997．
[2]公路软土地基路堤设计与施工技术规范[s]．北京：人民交通出版社，1997．